Presentazione standard di PowerPoint
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Introduzione 2 Problema I sali presenti nell’acqua (all’estrazione) causano problemi di corrosione Soluzione Separazione delle fasi (acquosa ed organica) Fase gassosa Estrazione petrolio Fase liquida (acqua + grezzo) Matteo Bruni COALESCER ELETTROSTATICO Grezzo purificato Acqua Metodi di separazione 3 Separazione gravimetrica (camere di calma) • Volumi elevati • Tempi di separazione industrialmente non accettabili • Basse efficienze di rimozione Separazione elettrostatica (Coalescer) • Volumi ridotti • Tempi di separazione bassi • Alte efficienze di rimozione Matteo Bruni Descrizione del coalescer Una prima zona del coalescer permette una «grossolana» separazione gravimetrica (coadiuvato da un riscaldamento della carica idrocarburica). Matteo Bruni 4 Descrizione del coalescer 5 Altezza Nella seconda zona del coalescer, la separazione dell’acqua residua, avviene tramite coalescenza delle gocce, resa possibile grazie all’effetto del campo elettrico applicato. Matteo Bruni Studi 6 Per la modellazione dei coalescer elettrostatici, è possibile seguire due strade differenti: Analisi CFD (Computational Fluid Dynamics) [Chiesa, 2004] • • • • Semplificazione eccessiva dello studio (distribuzione, Holdup) Trattazione di emulsioni bifase complessa (in presenza di campo elettrico) Risultati poco coerenti con la pratica industriale Difficoltà numeriche elevate Integrazione di equazioni di bilancio di popolazione • • • • Difficoltà numeriche trascurabili Equazioni di bilancio definite Facile implementazione delle forze attrattive Distribuzione non uniforme Matteo Bruni Bilanci di forze su singola goccia 7 Nel modello proposto, una particella di acqua viene considerata soggetta a tre tipi di forze : • Una forza gravitazionale • Una forza di trascinamento • Una forza di attrito • Una forza di attrazione (funzione del campo elettrico applicato) Componendo le forze agenti, si ricava la velocità di caduta di una goccia GALLEGGIAMENTO ( water oil )di2 g Vi Voil 18 CONTRIBUTO ATTRATTIVO CONTRIBUTO GRAVITAZIONALE ATTRITO Matteo Bruni 0 water oil E 2 di6 3 di dist 4 Limitazioni – Deformazione delle gocce 8 Campo elettrico troppo intenso Deformazione eccessiva della goccia Rottura Valore limite di γ per evitare deformazione: circa 1.9 Matteo Bruni Effetto temperatura 9 Un aumento di temperatura (entro certi limiti), migliora le prestazioni del coalescer. Non si superano i 100°C per evitare l’evaporazione dell’acqua Matteo Bruni Forza di attrazione elettrostatica 2 Felett K el E d 6 p dist 4 10 Valida per dist >> d formula utilizzata in ambito industriale, dove dist: distanza tra bordi della goccia (Drillet, 2000) Espressione spesso confutata (Chiesa, Melheim 2004): per dist << d infatti Velattrattiva La modellazione del coalescer prende in considerazione grandezze statistiche, come la distanza media tra gocce. Una stima della distanza tra gocce è: disti , j Fissata una concentrazione, è possibile stabilire una frequenza d’urti (1/s) FDI i , j i , j Vi V j disti , j Nota la frequenza d’urto, è possibile simulare la coalescenza tra gocce Matteo Bruni (di d j ) 2 3 Conc Diametro critico dist 11 di 3 Conc ( water oil )di2 g 0 water oil E 2 di6 Vi Voil 18 3 di dist 4 ( water oil )di2 g 0 water oil E 2 di Conc (4/3) Vi Voil 18 3 Ponendo Vcad = 0 e risolvendo la quadratica in di, ottengo il valore limite del diametro (diametro critico) Le gocce aventi di > dcrit , invertono la direzione del moto e contribuiscono alla separazione delle fasi. Matteo Bruni Modello matematico 12 Modello matematico sviluppato in VBA. Caratteristiche fondamentali: Classi di distribuzione • Introduzione di una divisione delle gocce in «classi» a seconda del diametro (25-30 μm, 30-35 μm..) • Introduzione di una distribuzione della popolazione di gocce d’acqua Matteo Bruni Equazioni 13 Il modello integra le equazioni di bilancio strato per strato. In particolare: N dN i f (i , j ) ( )S Ni NJ dt j 1 N tot Dk3 D 3j Di3 Termine di scomparsa delle gocce della classe i-esima Nuovo diametro (k-esima classe) a seguito di coalescenza i 1 i 1 dN i f (i , k ) ( )P N J Nk dt N tot j 1 k j 1 Termine di produzione delle gocce (classe i-esima) dN i dN dN ( i ) S ( i ) p Variazione complessiva del numero di gocce (classe i-esima) dt dt dt dkCi dN i kgi dt dt Variazione della massa delle gocce di classe i-esima •kCi : kilogrammi totali della classe i-esima •kgi : kilogrammi della goccia di classe i-esima Matteo Bruni Soluzione numerica 14 Il problema, per essere risolto, necessita delle corrette condizioni al contorno. E’ noto solamente profilo delle gocce in risalita, non quello delle gocce in caduta. Profilo non noto E’ necessario un ciclo iterativo per trovare la soluzione del problema. Partendo da un profilo di decantazione nullo, ad ogni iterazione viene calcolato un nuovo profilo fino al raggiungimento della convergenza sui bilanci. Ogni profilo calcolato che non soddisfa i bilanci, viene utilizzato come valore di primo tentativo per l’iterazione successiva. Matteo Bruni Simulazioni – Effetto campo elettrico 15 Condizioni di simulazione • 40.000 BPD • 30 m2 superficie di raccolta • 3% Concentrazione • 1000 mm altezza tra le griglie • 30°C Temperatura DISTRIBUZIONE Diametri Diametro (μm) Frazione% 50 95 100 5 Matteo Bruni Simulazioni – Dinamica di separazione 16 kg decantati Altezza [mm] kg trascinati Quantità di acqua [kg/h] Matteo Bruni
